Cours : Synthèse, contrôle et protection d’états quantiquesLe cours donné au Collège de France en janvier et février 2011 était intitulé « Synthèse, contrôle et protection d’états quantiques ». La manipulation de systèmes quantiques dans le but de développer des applications pour le traitement de l’information est devenue un domaine très actif de l’optique quantique et de la physique mésoscopique. Dans les cours antérieurs, j’avais étudié des systèmes d’ions piégés et d’atomes couplés à quel...
Cours : Synthèse, contrôle et protection d’états quantiquesLe cours donné au Collège de France en janvier et février 2011 était intitulé « Synthèse, contrôle et protection d’états quantiques ». La manipulation de systèmes quantiques dans le but de développer des applications pour le traitement de l’information est devenue un domaine très actif de l’optique quantique et de la physique mésoscopique. Dans les cours antérieurs, j’avais étudié des systèmes d’ions piégés et d’atomes couplés à quel...
Le cours de l’année 2007-2008Le cours donné au Collège de France, de janvier à mars 2008, était intitulé « Mesures quantiques non destructives ». Il a analysé les propriétés fondamentales de la mesure en physique quantique et ses relations avec les concepts de complémentarité, d’intrication et de décohérence. Il s’est ensuite focalisé sur l’analyse des mesures non destructives (Quantum Non-Demolition ou QND en anglais). Celles-ci projettent le système mesuré dans un des états propres de l’ob...
Cours : Le contrôle des particules quantiques isolées (II). Atomes de Rydberg froids en interactionLe cours de l’année 2012-2013, récapitulant les recherches reconnues par le prix Nobel de physique 2012, avait porté sur l’électrodynamique quantique en cavité et décrit des expériences de mesure et de manipulation, à l’aide d’atomes de Rydberg, de photons piégés dans une cavité. Dans ces études, les atomes très excités servent de sondes et d’outils pour étudier le champ. Le couplage des atomes...
Clef de voûte de la physique actuelle, la mécanique quantique reste un instrument dont la maîtrise est nécessaire à l'étudiant. En effet, aucun domaine de la physique, depuis l'étude de l'état solide jusqu'à celle des particules élémentaires, ne peut être abordé sans une très bonne connaissance de cette discipline. Parmi plusieurs livres existant sur le sujet, en France comme à l'étranger, celui du professeur Messiah est le seul traité, simple et complet, qui soit à la fois un livre d'enseignement à l'usage des étudiants et un document de travail et de référence pour les chercheurs. Issu d'un cours professé au Centre d'études nucléaires de Saclay, il est présenté en deux tomes et constitue une somme théorique toujours d'actualité. À partir de notions mathématiques et de connaissances physiques élémentaires, le lecteur est progressivement initié aux principes et au formalisme de la théorie, puis aux méthodes et aux applications qui en découlent. Ainsi, la mécanique quantique est exposée sous sa forme moderne, à la fois concise et élégante.
Les phénomènes quantiques les plus fondamentaux comme la cohérence quantique et l’intrication sont aujourd'hui explorés pour réaliser de nouvelles technologies. C'est le domaine des technologies quantiques, qui promettent de révolutionner le calcul, la communication et la métrologie. En encodant l'information dans les systèmes quantiques, il serait possible de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques, de garantir une sécurité absolue dans les communications et de développer des capteurs dépassant les limites classiques de précision. Les photons uniques, en tant que vecteurs d'information quantique, ont acquis un rôle central dans ce domaine, car ils peuvent être manipulés facilement et être utilisés pour mettre en œuvre de nombreux protocoles quantiques. Pour cela, il est essentiel de développer des interfaces très efficaces entre les photons et les systèmes quantiques matériels, tels les atomes uniques, une fonctionnalité fondamentale à la fois pour la génération et la manipulation des photons. La réalisation de tels systèmes dans l'état solide permettrait de fabriquer des dispositifs quantiques intégrés et à large échelle. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interface lumière-matière réalisée par une boîte quantique unique, utilisée comme un atome artificiel, couplée de façon déterministe à une cavité de type micropilier. Un tel dispositif s'avère être un émetteur et un récepteur efficace de photons uniques, et il est utilisé ici pour implémenter des fonctionnalités quantiques de base. Tout d'abord, sous une excitation optique résonante, nous montrons comment nos composants sont des sources très brillantes de photons uniques. L’accélération de l'émission spontanée de la boîte quantique dans la cavité et le contrôle électrique de la structure permettent de générer des photons très indiscernables avec une très haute brillance. Cette nouvelle génération de sources de photons uniques peut être utilisée pour générer des états de photons intriqués en chemin appelés états NOON. Ces états intriqués sont des ressources importantes pour la détection de phase optique, mais leur caractérisation optique a été peu étudiée jusqu’à présent. Nous présentons une nouvelle méthode de tomographie pour caractériser les états de NOON encodés en chemin et implémentons expérimentalement cette méthode dans le cas de deux photons. Enfin, nous étudions le comportement de nos composants comme filtres non-linéaires de lumière. L'interface optimale entre la lumière et la boîte quantique permet l'observation d'une réponse optique non-linéaire au niveau d'un seul photon incident. Cet effet est utilisé pour démontrer le filtrage des états Fock à un seul photon à partir d’impulsions classiques incidentes. Ceci ouvre la voie à la réalisation efficace d’interactions effectives entre deux photons dans un système à l’état solide, une étape fondamentale pour surmonter les limitations dues au fonctionnement probabilistes des portes optiques linéaires.
Cours : Cinquante ans de révolutions en physique atomique et en optique atomiqueLe dernier cours de la chaire de Physique quantique (2001-2015), clôturant quinze années d’enseignement portant sur l’optique et l’information quantiques, a passé en revue les grandes avancées de la physique atomique et de l’optique quantique au cours du dernier demi-siècle. Cette période a connu de profondes révolutions dans ces domaines de la physique, largement dues à l’invention en 1960 du laser et aux dévelo...
IntroductionComme beaucoup d'ouvrages, celui-ci est issu d'un cours présenté devant des étudiants pendant plusieurs années, d'un polycopié rédigé à cette occasion, ainsi que d'exposés préparés par ces mêmes étudiants pour en illustrer certains aspects.Au tout début, il s'agissait d'un cours du DEA "Physique quantique" dispensé à la fin des années 1970 au laboratoire de physique de l'ENS.L'objectif principal était de familiariser de futurs doctorants avec les techniques de calcul basées sur l'invariance par rotation, les opérateurs tensoriels irréductibles, le théorème de Wigner-Eckart, etc. Ces techniques, souvent importées de la physique nucléaire, étaient en effet devenues un outil de base en optique quantique, théorie du pompage optique, relaxation, etc. Avec cet objectif, il m'avait cependant semblé utile de replacer l'exposé dans un contexte un peu plus général, et de reprendre les idées de Wigner sur le rôle essentiel des générateurs du groupe de Poincaré.L'expérience a rapidement montré que cet aspect intéressait particulièrement les étudiants (ainsi d'ailleurs que l'enseignant !), et ce qui était au départ un cours de deux heures s'est rapidement développé en plusieurs chapitres.Au bout de quelques années, cet aspect plus fondamental était devenu une bonne moitié du cours.Le contenu de cet ouvrage reflète tout naturellement cette dualité dans les objectifs d'enseignement.Un premier point de vue est celui du lecteur désirant maîtriser le plus rapidement possible les outils techniques d'un tel cours.Après une introduction générale, il pourra directement passer aux chapitres VII et VIII qui exposent les résultats principaux concernant les symétries de rotation, ou au chapitre IX concernant les symétries d'échange entre particules.C'est également avec l'objectif de fournir des outils pratiques utiles que le complément D V , ainsi que l'appendice, font des incursions dans le domaine des symétries discrètes : la parité d'espace et le renversement du temps.Au lieu de considérer cette dernière comme une symétrie à part, comme c'est souvent le cas, nous la placerons dans le cadre général des symétries d'espace-temps.Un autre point de vue sera celui du lecteur qui, au contraire, désire privilégier les aspects fondamentaux.Il se dirigera alors plutôt vers les chapitres V et VI.La démarche qui y est présentée est celle de Wigner [4] dans le cadre de la relativité restreinte d'Einstein, et celle de 30] dans le cadre galiléen.Elle permet de montrer comment "le quantique émerge du classique" à partir d'hypothèses très générales : d'une part on suppose que l'espace-temps classique reste en mécanique quantique le cadre général permettant de décrire l'évolution des systèmes physiques, et d'autre part on suppose que cette description se fait dans un espace des états linéaire (et complexe).Inutile alors d'utiliser des "règles de quantification", plus ou moins artificielles et parfois ambigües, afin de passer d'une description classique à une description quantique d'un système physique.Les seules propriétés de l'espace-temps classique permettent en effet de prévoir l'existence